某一特定頻段的雷達通常具有不同于其他頻段雷達的性能、特點和應用場合。例如，眾所周知，穿透能力基本取決于微波頻率[1]。通常，穿透距離與微波頻率成反比。頻率越高，穿透深度越低。此外，地形特征會影響穿透能力，濕度對微波穿透起屏蔽的作用[2]。P波段和L波段雷達系統(tǒng)的新興軍事和民用應用包括探測被樹葉和/或偽裝隱藏的目標、探測掩埋的物體、林業(yè)應用、生物量測量、考古和地質(zhì)勘探。

在另一方面，在更高的頻率，例如X、Ku和Ka波段，雷達更容易實現(xiàn)精確的距離和位置測量，因為它們具有更寬的帶寬（其決定了距離精度和距離分辨率）和對于特定尺寸的物理天線的更窄的波束天線（其決定了角度精度和角度分辨率）[3]。考慮到以上幾點，單一的多波段SAR系統(tǒng)在操作靈活性和不同應用以及最終用戶的觀測能力方面的優(yōu)點是顯而易見的。

核心技術(shù)：DAC和ADC

具有超寬模擬帶寬的高采樣率DAC和ADC是實現(xiàn)全數(shù)字多波段SAR系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

特別是，雙通道DAC EV12DD700支持12Gsps采樣率，瞬時帶寬高達6GHz，可同時在多個奈奎斯特域(NZ)中工作，-3dB模擬帶寬最高可達25GHz。包括2RF的多種輸出模式允許在21GHz及更高的頻率進行無需上變頻的直接信號合成（圖1）。

圖1 不同DAC工作模式下的DAC輸出功率 vs 輸出頻率

EV12PS640概念款ADC是一款單通道器件，支持用于波束形成的鏈式同步功能。在單端ADC輸入時，它最高支持30GHz的直接射頻（RF）采樣（圖2）。單端輸入使接收器信號路徑的設計無需使用射頻巴倫，從而避免相關(guān)的信號失真和帶寬限制。

圖2 單端信號的輸入帶寬性能

初步架構(gòu)

本文提出了一種全數(shù)字四波段SAR。由于采樣率高達12Gsps，任意1-1.5GHz的L波段波形和4.75到5.5GHz的C波段信號可在非歸零（NRZ）模式下同時直接合成而不發(fā)生重疊。此外，由于在RF模式下DAC可工作在多個NZ中，X波段的波形可在第二奈奎斯特域中產(chǎn)生，同時在第三奈奎斯特域中產(chǎn)生Ku波段的波形。特別是，X波段的9-10.2GHz可與Ku波段的16-17.5GHz一起生成。圖3展示了DAC輸出的噪聲波形頻譜。

為了避免混疊，DAC的NRZ輸出在5.5GHz進行低通濾波。然后，它被放大并發(fā)送至寬帶天線。而RF輸出則使用雙波段濾波器進行濾波，以選擇出第2奈奎斯特域的X波段和第3奈奎斯特域的Ku波段（圖3b）。

a) L+C波段，NRZ模式，第1奈奎斯特域

b) X+Ku波段，RF模式，第2和第3奈奎斯特域

圖3 DAC輸出噪聲頻譜

圖4所示的多波段SAR架構(gòu)采用了脈沖雷達方案。因此，連接接收鏈的兩根天線各使用一個環(huán)行器。與DAC輸出類似，在使用兩個工作在相同的12GHz采樣時鐘的ADC對接收信號放大和數(shù)字化之前，需先對其進行L+C通道的低通濾波和X+Ku通道的雙波段濾波。

圖4 多波段SAR架構(gòu)

圖5給出了兩種ADC的頻率規(guī)劃。L波段和C波段可直接采樣而不發(fā)生混疊，因為它們都落在第1奈奎斯特域（6GHz）的范圍內(nèi)。另一方面，由于X波段和Ku波段位于第2奈奎斯特域和第3奈奎斯特域，它們分別對應于第1奈奎斯特域的1.8-3GHz和4-5.5GHz的范圍，沒有重疊。高性能的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）可實現(xiàn)任意波形發(fā)生器的功能，用于合成所需的雷達信號并處理從ADC到高速固態(tài)硬盤（SSD）的高速數(shù)字信號。

a) L+C波段

b) X+Ku波段

圖5 第1奈奎斯特域的ADC頻率規(guī)劃

在前端架構(gòu)中，輸入和輸出濾波器尤其重要。輸出濾波器是選擇所需的波段和抑制無關(guān)的混疊波段的必要器件。另一方面，為了防止其他帶外信號的干擾并降低整體噪聲水平，需使用輸入濾波器濾除噪聲和無關(guān)信號。這些濾波器可使用多波段濾波器技術(shù)在微帶上設計并實現(xiàn)。另一個選項是將寬帶信號分成兩個單獨的波段，使用單波段濾波器濾波，然后重新組合。

為了使DAC的輸出電平與功率放大器的輸入端所需的電平匹配，我們需要使用中間驅(qū)動器。功率放大器應能夠處理合適的功率，以滿足每個頻段的發(fā)射功率要求。由于系統(tǒng)是基于脈沖的，因此有必要考慮傳輸功率的平均值，這可簡化放大器的選擇。為了使發(fā)射器和接收器共用同一個天線，功率放大器的輸出端的寬帶環(huán)行器是必要的器件。

在接收端，根據(jù)發(fā)射功率的不同，需采用功率限制器件對低噪聲放大器（LNA）進行保護。否則，如果環(huán)行器的隔離度不夠（通常為20dB），在傳輸階段可能損壞LNA。

機載系統(tǒng)演示樣機的研制

所有的4個工作頻段使用單一天線可實現(xiàn)SAR成像的單相中心。然而，考慮到實際的增益和天線尺寸，單天線很難容納從1到18GHz的超寬頻率跨度。此外，由于L和C波段使用相同的DAC和ADC進行合成和數(shù)字化，X和Ku波段也是如此，我們可方便地實現(xiàn)兩個單獨的模擬鏈路（圖4）。

對于機載應用，L和C波段可使用寬帶喇叭天線（如英聯(lián)微波的LB-560[6]）進行發(fā)射和接收，這款天線支持0.5-6GHz的頻率范圍的10-12dBi的恒定增益（圖6）。另一方面，多倍頻程喇叭天線（如英聯(lián)微波的LB-60180-20[7]）擁有6-18GHz的帶寬，支持X和Ku波段，X波段的增益約為20dBi，Ku波段的增益約為22dBi（圖7）。

圖6 LB-560寬帶天線增益

圖7 LB-60180-20多倍頻程天線增益

對于L+C波段，可使用RF-Lambda的功率放大器RFLUPA0706GG進行功率放大[8]，其典型功率輸出為48dBm，頻率范圍是0.7-6GHz。對于X+Ku波段，可使用RF-Lambda的RFLUPA0618GE放大器[9]，其典型輸出功率是50dBm，頻率范圍是6-18GHz。

功率放大器的輸出可能需要使用帶通諧波抑制濾波器。在這種情況下，根據(jù)發(fā)射功率的不同，應仔細評估微帶功率的處理。對于X+Ku波段的高功率寬帶環(huán)行器，一個可行的選擇是DORADO國際的4CCM14-1同軸型號[10]，它可覆蓋9-18GHz的范圍，功率為150W。在L+C波段的情況下，很難找到一款具有如此大分數(shù)帶寬的環(huán)行器。另一個選擇是采用大功率同軸開關(guān)，例如RF-Lambda的RFSP2TR5M06GS[11]。

在這樣的高頻數(shù)字系統(tǒng)中，低抖動的時鐘信號是必不可少的。時鐘發(fā)生器可使用基于鎖相環(huán)的信號合成器來實現(xiàn)。ADI的微波合成器ADF4152集成了壓控振蕩器[12]，可實現(xiàn)優(yōu)秀的噪聲特性。時鐘分配器可使用高頻窄帶分配器來實現(xiàn)。

Hitech Global HTG-960 Virtex UltraScale+ VU19P開發(fā)平臺[13]是一款優(yōu)秀的FPGA板卡，支持通過FMC標準與DAC和ADC連接。FMC接口還允許連接到非易失性內(nèi)存主機控制器接口規(guī)范（NVMe）的高速SSD（Raid0配置），以記錄采集的數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)的功能可在輕型飛機上演示，如Tecnam P92JS SmartBay[14]，它支持在機翼下的專用吊艙中安裝實驗設備。

預期的雷達性能

可根據(jù)表1中的參數(shù)計算預期的SAR性能。我們已經(jīng)考慮了損耗和噪聲的保守值，并假定飛行平臺在平均地面高度之上2000m的高度以40m/s的地面速度飛行。

參考表1中的參數(shù)，可依據(jù)下式計算不同波段的NESZ[15]：

表1 仿真參數(shù)

其中kB為玻爾茲曼常數(shù)，TN為290°K的參考溫度，r0是刈幅中心的傾斜范圍。假設分布反射為0dBm2/m2，圖8展示了各子波段的地塊接收功率和傾斜范圍的函數(shù)關(guān)系。天線的整個-3dB范圍的總集成功率也被標出。由于L和C波段共享LB-560天線，其半功率波束寬度大于39度仰角，L波段的頻率的刈幅非常大，從2337m到10369m。盡管LB-560天線在L和C波段的增益幾乎相同，但由于自由空間的衰減不同，C波段的接收功率比L波段低20dB。另一方面，X和Ku波段共享更直接的LB-60180-20，因此在這兩個更高的波段的刈幅更窄。

圖8 接收的功率，假設σ0 = 0dBm2/m2

圖9展示了期望的NESZ和不同子波段的傾斜范圍的函數(shù)關(guān)系。期望的NESZ在Ku和X波段分別優(yōu)于-23dBm2/m2和-25dBm2/m2。低頻天線的范圍允許SAR在L波段產(chǎn)生高達10km的成像，但靈敏度較差。由于通常認為優(yōu)于-20dBm2/m2的NESZ值表征良好的SAR成像質(zhì)量，L和C波段的最大成像范圍被分別限制在5819m和4092m。

圖9 NESZ

機載處理和預期數(shù)據(jù)率

為了降低需記錄的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)率，我們需要對四個波段的接收信號進行機載采樣和預處理（圖10）。具體地說，每個采樣波段都分別依據(jù)第一奈奎斯特域的中心頻率數(shù)字下變頻(DDC)到基帶。然后，通過級聯(lián)積分梳(CIC)濾波器對采樣率進行抽取，以適應瞬時帶寬。我們還需使用有限脈沖響應(FIR)濾波器對CIC濾波器的響應進行補償。然后，使用交叉相關(guān)器(Xcorr)對已濾波的信號進行范圍壓縮，并將其限制在每個波段4倍過采樣的范圍以內(nèi)。最后，經(jīng)過合成的6160MB/s的數(shù)據(jù)率被發(fā)送到雙通道Raid0 Gen.4 NVMe IP中[16]，這個IP將壓縮的數(shù)據(jù)以3080MB/s的數(shù)據(jù)率分別寫入兩個Gen.4 NVMe SSD中[17]。

圖10 機載處理架構(gòu)

實測結(jié)果

我們在實驗室對本文提出的系統(tǒng)做了詳細的測試，其輸出頻譜如圖11和圖12所示。

圖11 L波段和C波段的輸出頻譜

圖12 X波段和Ku波段的輸出頻譜

結(jié)論和展望

本文對一種在L、C、X和Ku波段工作的全數(shù)字多波段SAR系統(tǒng)進行了可行性研究。首先介紹了Teledyne e2v的DAC和ADC，然后提出了一種基于脈沖的SAR系統(tǒng)的初步架構(gòu)，最后以幾種商業(yè)器件和技術(shù)為例，評估了空中多波段SAR成像的機載演示系統(tǒng)的可行性。未來我們將會對系統(tǒng)性能進行更詳細的分析，包括脈沖響應、相位線性度和雜散水平，然后進行所述的機載多波段SAR演示樣機的開發(fā)工作。這個演示樣機是更廣闊的技術(shù)路線圖的第一步。我們期待未來會有更新的設計，并由新的宇航機構(gòu)和私營公司推動航天載荷的發(fā)展。

本文轉(zhuǎn)載自：微波世界微信公眾號

審核編輯：湯梓紅